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開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)范文第1篇

開(kāi)關(guān)電源中的功率開(kāi)關(guān)管在高頻下的通、斷過(guò)程產(chǎn)生大幅度的電壓和電流跳變,因而產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁騷擾,但騷擾的頻率范圍(

電磁騷擾

討論電磁騷擾一般是從騷擾源的特性,騷擾的耦合通道特性和受擾體的特性三個(gè)方面來(lái)進(jìn)行的。

1.開(kāi)關(guān)電源中的主要電磁騷擾源

開(kāi)關(guān)電源中的電磁騷擾源主要有開(kāi)關(guān)器件、二極管和非線性無(wú)源元件;在開(kāi)關(guān)電源中,印制板布線不當(dāng)也是引起電磁騷擾的一個(gè)主要因素。

1.1 開(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生的電磁騷擾

對(duì)開(kāi)關(guān)電源來(lái)說(shuō),開(kāi)關(guān)電路產(chǎn)生的電磁騷擾是開(kāi)關(guān)電源的主要騷擾源之一。開(kāi)關(guān)電路是開(kāi)關(guān)電源的核心,主要由開(kāi)關(guān)管和高頻變壓器組成。它產(chǎn)生的dv/dt是具有較大輻度的脈沖,頻帶較寬且諧波豐富。這種脈沖騷擾產(chǎn)生的主要原因是 :

1)開(kāi)關(guān)管負(fù)載為高頻變壓器初級(jí)線圈,是感性負(fù)載。在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通瞬間,初級(jí)線圈產(chǎn)生很大的涌流,并在初級(jí)線圈的兩端出現(xiàn)較高的浪涌尖峰電壓;在開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)瞬間,由于初級(jí)線圈的漏磁通,致使一部分能量沒(méi)有從一次線圈傳輸?shù)蕉尉€圈,儲(chǔ)藏在電感中的這部分能量將和集電極電路中的電容、電阻形成帶有尖峰的衰減振蕩,疊加在關(guān)斷電壓上,形成關(guān)斷電壓尖峰。這種電源電壓中斷會(huì)產(chǎn)生與初級(jí)線圈接通時(shí)一樣的磁化沖擊電流瞬變,這個(gè)噪聲會(huì)傳導(dǎo)到輸入輸出端,形成傳導(dǎo)騷擾,重者有可能擊穿開(kāi)關(guān)管。

2)脈沖變壓器初級(jí)線圈,開(kāi)關(guān)管和濾波電容構(gòu)成的高頻開(kāi)關(guān)電流環(huán)路可能會(huì)產(chǎn)生較大的空間輻射,形成輻射騷擾。如果電容濾波容量不足或高頻特性不好,電容上的高頻阻抗會(huì)使高頻電流以差模方式傳導(dǎo)到交流電源中形成傳導(dǎo)騷擾。

1.2 二極管整流電路產(chǎn)生的電磁騷擾

主電路中整流二極管產(chǎn)生的反向恢復(fù)電流的|di/dt|遠(yuǎn)比續(xù)流二極管反向恢復(fù)電流的|di/dt|小得多。作為電磁騷擾源來(lái)研究,整流二極管反向恢復(fù)電流形成的騷擾強(qiáng)度大,頻帶寬。整流二極管產(chǎn)生的電壓跳變遠(yuǎn)小于電源中的功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的電壓跳變。因此,不計(jì)整流二極管產(chǎn)生的|dv/dt|和|di/dt|的影響,而把整流電路當(dāng)成電磁騷擾耦合通道的一部分來(lái)研究也是可以的。

1.3 dv/dt與負(fù)載大小的關(guān)系

功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的dv/dt是開(kāi)關(guān)電源的主要騷擾源。經(jīng)理論分析及實(shí)驗(yàn)表明,負(fù)載加大,關(guān)斷產(chǎn)生的|dv/dt|值加大,而負(fù)載變化對(duì)開(kāi)通的|dv/dt|影響不大。由于開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的|dv/dt|不同,從而對(duì)外部產(chǎn)生的騷擾脈沖也是不同的。

2. 開(kāi)關(guān)電源電磁噪聲的耦合通道

描述開(kāi)關(guān)電源和系統(tǒng)傳導(dǎo)騷擾的耦合通道有兩種方法:

1)將耦合通道分為共模通道和差模通道;

2)采用系統(tǒng)函數(shù)來(lái)描述騷擾和受擾體之間的耦合通道的特性。

2.1 共模和差模騷擾通道

開(kāi)關(guān)電源在由電網(wǎng)供電時(shí),它將從電網(wǎng)取得的電能變換成另一種特性的電能供給負(fù)載。同時(shí)開(kāi)關(guān)電源又是一噪聲源,通過(guò)耦合通道對(duì)電網(wǎng)、開(kāi)關(guān)電源本身和其它設(shè)備產(chǎn)生騷擾,通常多采用共模和差模騷擾加以分析。 如圖1,為開(kāi)關(guān)電源共模騷擾等效電路。

“共模騷擾”是指騷擾大小和方向一致,其存在于電源任何一相對(duì)大地、或中線對(duì)大地間。共模騷擾也稱為縱模騷擾、不對(duì)稱騷擾或接地騷擾。是載流體與大地之間的騷擾。如圖2,為帶共模干擾的+5V直流信號(hào)。

“差模騷擾”是指大小相等,方向相反,其存在于電源相線與中線及相線與相線之間。差模騷擾也稱為常模騷擾、橫模騷擾或?qū)ΨQ騷擾。是載流體之間的騷擾。

共模騷擾說(shuō)明騷擾是由輻射或串?dāng)_耦合到電路中的,而差模騷擾則說(shuō)明騷擾源于同一條電源電路的。通常這兩種騷擾是同時(shí)存在的,由于線路阻抗的不平衡,兩種騷擾在傳輸中還會(huì)相互轉(zhuǎn)化,情況十分復(fù)雜。共模騷擾主要是由|dv/dt|產(chǎn)生的,|di/dt|也產(chǎn)生一定的共模騷擾。但是,在低壓大電流的開(kāi)關(guān)電源中,共模騷擾主要是由|dv/dt|產(chǎn)生的還是由|di/dt|產(chǎn)生的,需要進(jìn)一步研究。 如圖3,共模/差模信號(hào)與磁場(chǎng)的關(guān)系。

在頻率不是很高的情況下,開(kāi)關(guān)電源的騷擾源、耦合通道和受擾體實(shí)質(zhì)上構(gòu)成一多輸入多輸出的電網(wǎng)絡(luò),而將其分解為共模和差模騷擾來(lái)研究是對(duì)上述復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的一種處理方法,這種處理方法在某種場(chǎng)合還比較合適。但是,將耦合通道分為共模和差模通道具有一定的局限性,雖然能測(cè)量出共模分量和差模分量,但共模分量和差模分量是由哪些元器件產(chǎn)生的,的確不易確定。因此有人用系統(tǒng)函數(shù)的方法來(lái)描述開(kāi)關(guān)電源騷擾的耦合通道,即研究耦合通道的系統(tǒng)函數(shù)與各元器件的關(guān)系,建立耦合通道的電路模型。許多系統(tǒng)分析的結(jié)果,如靈敏度的分析、模態(tài)的分析等,都可用來(lái)研究開(kāi)關(guān)電源的EMD的調(diào)試和預(yù)測(cè)。但是,用系統(tǒng)函數(shù)的方法分析騷擾的耦合通道,還需要做很多工作。

2.2.2 雜散參數(shù)影響耦合通道的特性

在傳導(dǎo)騷擾頻段(小于30MHz)范圍內(nèi),多數(shù)開(kāi)關(guān)電源騷擾的耦合通道是可以用電路網(wǎng)絡(luò)來(lái)描述的。但是,在開(kāi)關(guān)電源中的任何一個(gè)實(shí)際元器件,如電阻器、電容器、電感器乃至開(kāi)關(guān)管、二極管都包含有雜散參數(shù),且研究的頻帶愈寬,等值電路的階次愈高,因此,包括各元器件雜散參數(shù)和元器件間的耦合在內(nèi)的開(kāi)關(guān)電源的等效電路將復(fù)雜得多。在高頻時(shí),雜散參數(shù)對(duì)耦合通道的特性影響很大,分布電容的存在成為電磁騷擾的通道。另外,在開(kāi)關(guān)管功率較大時(shí),集電極一般都需加上散熱片,散熱片與開(kāi)關(guān)管之間的分布電容在高頻時(shí)不能忽略,它能形成面向空間的輻射騷擾和電源線傳導(dǎo)的共模騷擾。

電磁騷擾的抑制

對(duì)開(kāi)關(guān)電源的EMD的抑制措施,主要是

1)減小騷擾源的騷擾強(qiáng)度;

2)切斷騷擾傳播途徑。

為了達(dá)到這個(gè)目的,主要從選擇合適的開(kāi)關(guān)電源電路拓?fù)?采用正確的接地、屏蔽、濾波措施;設(shè)計(jì)合理的元器件布局及印制板布線等幾個(gè)方面考慮。

1.減小開(kāi)關(guān)電源本身的騷擾

減小開(kāi)關(guān)電源本身的騷擾是抑制開(kāi)關(guān)電源騷擾的根本,是使開(kāi)關(guān)電源電磁騷擾低于規(guī)定極限值的有效方法。

1)減小功率管通、斷過(guò)程中產(chǎn)生的騷擾

上面分析表明,開(kāi)關(guān)電源的主要騷擾是來(lái)自功率開(kāi)關(guān)管通、斷的dv/dt。因此減小功率開(kāi)關(guān)管通、斷的dv/dt是減小開(kāi)關(guān)電源騷擾的重要方面。人們通常認(rèn)為軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以減小開(kāi)關(guān)管通、斷的dv/dt。但是,目前的一些研究結(jié)果表明軟開(kāi)關(guān)并不像人們預(yù)料的那樣,可以明顯地減小開(kāi)關(guān)電源的騷擾。沒(méi)有實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,軟開(kāi)關(guān)變換器在EMC性能方面明顯地優(yōu)于硬開(kāi)關(guān)變換器。

有文獻(xiàn)系統(tǒng)地研究了PWM反激式變換器、準(zhǔn)諧振零電流變頻開(kāi)關(guān)正激變換器、多諧振零電壓變頻開(kāi)關(guān)反激式變換器、多揩振零電壓變頻開(kāi)關(guān)正激變換器、電壓箝位多諧振零電壓定頻開(kāi)關(guān)反激式變換器以及半橋式零電壓變頻串聯(lián)諧振變換器的EMD特性,討論了緩沖電路、箝位電路、變頻與定頻控制對(duì)騷擾水平的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,具有電壓箝位的零電壓定頻開(kāi)關(guān)變換器的EMD電平最低。

因此,采用軟開(kāi)關(guān)電源技術(shù),結(jié)合合理的元器件布置及合理的印制電路板布線,對(duì)開(kāi)關(guān)電源的EMD水平有一定的改善。

2)開(kāi)關(guān)頻率調(diào)制技術(shù)

將頻率不變的調(diào)制改變?yōu)殡S機(jī)調(diào)制,變頻調(diào)制等。頻率固定不變的調(diào)制脈沖產(chǎn)生的騷擾在低頻段主要是調(diào)制頻率的諧波騷擾,低頻段的騷擾主要集中在各諧波點(diǎn)上。由F.Lin提出的開(kāi)關(guān)頻率調(diào)制方法[3],其基本思想是通過(guò)調(diào)制開(kāi)關(guān)頻率fc的方法,把集中在開(kāi)關(guān)頻率fc及其諧波2fc,3fc……上的能量分散到它們周圍的頻帶上,由此降低各個(gè)頻點(diǎn)上的EMD幅值,以達(dá)到低于EMD標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。這種開(kāi)關(guān)調(diào)頻PWM的方法雖然不能降低總的騷擾能量,但它把能量分散到頻點(diǎn)的基帶上,以達(dá)到各個(gè)頻點(diǎn)都不超過(guò)EMD規(guī)定的限值。

2. 接地

“接地”有設(shè)備內(nèi)部的信號(hào)接地和設(shè)備接大地,兩者概念不同,目的也不同?！暗亍钡慕?jīng)典定義是“作為電路或系統(tǒng)基準(zhǔn)的等電位點(diǎn)或平面”。

3.2.1 設(shè)備的信號(hào)接地

設(shè)備的信號(hào)接地,可能是以設(shè)備中的一點(diǎn)或一塊金屬來(lái)作為信號(hào)的接地參考點(diǎn),它為設(shè)備中的所有信號(hào)提供了一個(gè)公共參考電位。

在這里介紹浮地和混合接地,另外,還有單點(diǎn)接地和多點(diǎn)接地。

1)浮地

采用浮地的目的是將電路或設(shè)備與公共接地系統(tǒng),或可能引起環(huán)流的公共導(dǎo)線隔離開(kāi)來(lái)。浮地還可以使不同電位間的電路配合變得容易。實(shí)現(xiàn)電路或設(shè)備浮地的方法有變壓器隔離和光電隔離。浮地的最大優(yōu)點(diǎn)是抗騷擾性能好。

浮地的缺點(diǎn)是由于設(shè)備不與公共地相連,容易在兩者間造成靜電積累,當(dāng)電荷積累到一定程度后,在設(shè)備地與公共地之間的電位差可能引起劇烈的靜電放電,而成為破環(huán)性很強(qiáng)的騷擾源。

一個(gè)折衷方案是在浮地與公共地之間跨接一個(gè)阻值很大的泄放電阻,用以釋放所積累的電荷。注意控制釋放電阻的阻抗,太低的電阻會(huì)影響設(shè)備泄漏電流的合格性。

2)混合接地

混合接地使接地系統(tǒng)在低頻和高頻時(shí)呈現(xiàn)不同的特性,這在寬帶敏感電路中是必要的。電容對(duì)低頻和直流有較高的阻抗,因此能夠避免兩模塊之間的地環(huán)路形成。當(dāng)將直流地和射頻地分開(kāi)時(shí),將每個(gè)子系統(tǒng)的直流地通過(guò)10～100nF的電容器接到射頻地上,這兩種地應(yīng)在一點(diǎn)有低阻抗連接起來(lái),連接點(diǎn)應(yīng)選在最高翻轉(zhuǎn)速度(di/dt)信號(hào)存在的點(diǎn)。

3.2.2 設(shè)備接大地

在工程實(shí)踐中,除認(rèn)真考慮設(shè)備內(nèi)部的信號(hào)接地外,通常還將設(shè)備的信號(hào)地,機(jī)殼與大地連在一起,以大地作為設(shè)備的接地參考點(diǎn)。設(shè)備接大地的目的是:

1)保證設(shè)備操作人員人身的安全。

2)泄放機(jī)箱上所積累的電荷,避免電荷積累使機(jī)箱電位升高,造成電路工作的不穩(wěn)定。

3)避免設(shè)備在外界電磁環(huán)境的作用下使設(shè)備對(duì)大地的電位發(fā)生變化,造成設(shè)備工作的不穩(wěn)定。

由此可見(jiàn),設(shè)備接大地除了是對(duì)人員安全、設(shè)備安全的考慮外,也是抑制騷擾發(fā)生的重要手段。

3. 屏蔽

抑制開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的騷擾輻射的有效方法是屏蔽,即用電導(dǎo)率良好的材料對(duì)電場(chǎng)屏蔽,用磁導(dǎo)率高的材料對(duì)磁場(chǎng)屏蔽。為了防止脈沖變壓器的磁場(chǎng)泄露,可利用閉合環(huán)形成磁屏蔽,另外,還要對(duì)整個(gè)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行電場(chǎng)屏蔽。屏蔽應(yīng)考慮散熱和通風(fēng)問(wèn)題,屏蔽外殼上的通風(fēng)孔最好為圓形多孔,在滿足通風(fēng)的條件下,孔的數(shù)量可以多,每個(gè)孔的尺寸要盡可能小。接縫處要焊接,以保證電磁的連續(xù)性,如果采用螺釘固定,注意螺釘間距要短。屏蔽外殼的引入、引出線處要采取濾波措施,否則,這些會(huì)成為騷擾發(fā)射天線,嚴(yán)重降低屏蔽外殼的屏蔽效果。若用電場(chǎng)屏蔽,屏蔽外殼一定要接地,否則,將起不到屏蔽效果;若用磁場(chǎng)屏蔽,屏蔽外殼則不需接地。對(duì)非嵌入的外置式開(kāi)關(guān)電源的外殼一定要進(jìn)行電場(chǎng)屏蔽,否則,很難通過(guò)輻射騷擾測(cè)試。

4. 濾波

電源濾波器安裝在電源線與電子設(shè)備之間,用于抑制電源線引出的傳導(dǎo)騷擾,又可以降低從電網(wǎng)引入的傳導(dǎo)騷擾。對(duì)提高設(shè)備的可靠性有重要的作用。

開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的電磁騷擾以傳導(dǎo)騷擾為主,而傳導(dǎo)騷擾又分差模騷擾和共模干擾兩種。通常共模騷擾要比差模騷擾產(chǎn)生更大的輻射型EMD。目前抑制傳導(dǎo)EMD最有效的方法是利用無(wú)源濾波技術(shù)。如圖4,為共模與差模噪聲對(duì)比(紅色為共模噪聲,藍(lán)色為差模噪聲)。

作為一種雙端口網(wǎng)絡(luò)EMD濾波器,它對(duì)騷擾的抑制性能不僅取決于濾波器本身的拓?fù)?而且在很大程度上也受EMD濾波器輸入、輸出阻抗值的影響。由于EMD濾波器阻抗和負(fù)載阻抗的可變動(dòng)性以及它們可能直接與電網(wǎng)相連的特點(diǎn),電源EMD濾波器的輸入、輸出阻抗不但不匹配而且常常是末知的。這就造成了EMD濾波器設(shè)計(jì)不能完全應(yīng)用成熟的通信用濾波器的設(shè)計(jì)方法和理論。這是電源波波器設(shè)計(jì)面臨的主要問(wèn)題。

5.元器件布局及印制電路板布線

開(kāi)關(guān)電源的輻射騷擾與電流通路中的電流大小,通路的環(huán)路面積,以及電流頻率的平方等三者的乘積成正比,即輻射騷擾E∝I•A•f2。運(yùn)用這一關(guān)系的前提是通路尺寸遠(yuǎn)小于頻率的波長(zhǎng)。

上述關(guān)系式表明減小通路面積是減小輻射騷擾的關(guān)鍵,這是說(shuō)開(kāi)關(guān)電源的元器件要彼此緊密排列。在初級(jí)電路中,要求輸入端電容、晶體管和變壓器彼此靠近,且布線緊湊;在次級(jí)電路中,要求二極管、變壓器和輸出端電容彼此貼近。

在印制板上,將正負(fù)載流導(dǎo)線分別布在印制板的兩面,并設(shè)法使兩個(gè)載流導(dǎo)體彼此間保持平行,因?yàn)槠叫芯o靠的正負(fù)載流導(dǎo)體所產(chǎn)生的外部磁場(chǎng)是趨向于相互抵消的。

布線間的電磁耦合是通過(guò)電場(chǎng)和磁場(chǎng)進(jìn)行的,因此在布線時(shí),應(yīng)注意對(duì)電場(chǎng)與磁場(chǎng)耦合的抑制。對(duì)電場(chǎng)的抑制方法有:

1)盡量增大線間距離,使電容耦合為最小;

2)采用靜電屏蔽,屏蔽層要接地;

3)降低敏感線路的輸入阻抗。

對(duì)磁場(chǎng)的抑制方法有:

1)減小騷擾源和敏感電路的環(huán)路面積;

2)增大線間距離,使耦合騷擾源與敏感電路間的互感盡可能地小;

3)最好使騷擾源與敏感電路呈直角布線,以便大大降低線路間耦合。

開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)范文第2篇

關(guān)鍵詞： 開(kāi)關(guān)電源； 單端反激； 高頻變壓器； 雙反饋

中圖分類號(hào)： TN702?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）14?0162?04

Design of multi?channel switching power supply with single?ended flyback

HU Zhi?qiang 1， WANG Gai?yun1， WANG Yuan 2

（1. Guilin University of Electronic Technology， Guilin 541004， China；2. Shandong Huayu Vocational College， Dezhou 253034， China）

Abstract： A TOP223Y?based switching power supply with multi?channel output single?end flyback AC/DC module was designed. Peripheral circuits are analyzed by TOP Switch series single?chip switching power supply chip and the feedback system composed of TL431 and PC817A. The AC/DC switching power supply whose voltage stabilization adjusting weight is 0.6 and 0.4 with the outputs of +5V/3A and +12V/1A was designed. The experimental results show that the switching power supply has high efficiency， small ripple， high output accuracy and high stability.

Keywords： switching power supply； single?ended flyback； high?frequency transformer； double feedback

單片開(kāi)關(guān)電源自問(wèn)世以來(lái)，以其效率高，體積小，集成度高，功能穩(wěn)定等特點(diǎn)迅速在中小功率精密穩(wěn)壓電源領(lǐng)域占據(jù)重要地位。美國(guó)PI公司的TOPSwitch系列器件即是一種新型三端離線式單片高頻開(kāi)關(guān)電源芯片，開(kāi)關(guān)頻率fs高達(dá)100 kHz，此芯片將PWM控制器、高耐壓功率MOSFET、保護(hù)電路等高度集成，連接少許器件即可使用[1?2]。本文介紹了一種基于TOP223Y輸出為+5 V/3 A，+12 V/1 A的單端反激式開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)原理和方法。

1 設(shè)計(jì)原理

開(kāi)關(guān)電源是涉及眾多學(xué)科的一門應(yīng)用領(lǐng)域，通過(guò)控制功率開(kāi)關(guān)器件的開(kāi)通與關(guān)閉調(diào)節(jié)脈寬調(diào)制占空比達(dá)到穩(wěn)定輸出的目的，能夠?qū)崿F(xiàn)AC/DC或者DC/DC轉(zhuǎn)換。

TOP223Y共三個(gè)端：控制極C、源極S、漏極D。因只有漏極D用作脈寬調(diào)制功率控制輸出，故稱單端；高頻變壓器在功率開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)只是將能量存儲(chǔ)在初級(jí)繞組中，起到電感的作用，在功率開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)才將能量傳遞給次級(jí)繞組，起變壓作用，故稱反激式[1]。

圖1 開(kāi)關(guān)電源控制原理框圖

電路功能部分主要由輸入/輸出整流濾波、功率變換、反饋電路組成。工作原理簡(jiǎn)述為：220 V市電交流經(jīng)過(guò)整流濾波得到直流電壓，再經(jīng)TOP223Y脈寬調(diào)制和高頻變壓器DC?AC變換得到高頻矩形波電壓，最后經(jīng)輸出整流濾波得到品質(zhì)優(yōu)良的直流電壓，同時(shí)反饋回路通過(guò)對(duì)輸出電壓的采樣、比較和放大處理，將得到的電流信號(hào)輸入到TOP223Y的控制端C，控制占空比調(diào)節(jié)輸出，使輸出電壓穩(wěn)定。

2 設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)作為某智能儀器的供電電源，具體的參數(shù)要求如下：交流輸入電壓最小值：VACMIN=85 V；交流輸入電壓最大值：VACMAX=265 V；輸出：U1：+5 V/3 A；U2：+12 V/1 A；輸出功率：Po=27 W；偏置電壓：VB=12 V；電網(wǎng)頻率fL=50 Hz；開(kāi)關(guān)頻率fs=100 kHz；紋波電壓：小于100 mV；電源效率：η大于80%；損耗分配因數(shù)Z為0.5；功率因數(shù)為0.5。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

本設(shè)計(jì)是基于TOP223Y的多路單端反激式開(kāi)關(guān)電源，性能優(yōu)越，便于集成。電路原理如圖2所示，可分為輸入保護(hù)電路、輸入整流濾波電路、鉗位保護(hù)電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路、反饋回路、控制電路7個(gè)部分。

圖2 開(kāi)關(guān)電源電路原理圖

3.1 輸入保護(hù)電路

由保險(xiǎn)絲F1、熱敏電阻RT和壓敏電阻RV組成，對(duì)輸入端進(jìn)行過(guò)電壓、過(guò)電流保護(hù)。

保險(xiǎn)絲F1用于當(dāng)線路出現(xiàn)故障產(chǎn)生過(guò)電流時(shí)切斷電路，保護(hù)電路元器件不被損壞，其額定電流IF1按照IF1>2IACRMS選擇3 A/250 VAC保險(xiǎn)絲，其中IACRMS為原邊有效電流值。熱敏電阻RT用以吸收開(kāi)機(jī)浪涌電流，避免瞬間電流過(guò)大，對(duì)整流二極管和保險(xiǎn)絲帶來(lái)沖擊，造成損壞，加入熱敏電阻可以有效提高電源設(shè)計(jì)的安全系數(shù)，其阻值按照RRT1>0.014VACMAX/IACRMS選擇10D?11（10 Ω/2.4 A）。壓敏電阻RV能在斷開(kāi)交流輸入時(shí)提供放電通路，以防止大電流沖擊，同時(shí)對(duì)沖擊電壓也有較好鉗位作用。RV選取MY31?270/3，標(biāo)稱值為220 V。

3.2 輸入整流濾波電路

由EMI濾波電路、整流電路、穩(wěn)壓電路組成。

EMI濾波電路針對(duì)來(lái)自電網(wǎng)噪聲干擾。采用由L1，CX1，CX2，CY1，CY2構(gòu)成典型的Π型濾波器。

CX1和CX2用來(lái)濾除來(lái)自電網(wǎng)的差模干擾，稱為X電容，通常取值100～220 nF，這里取100 μF；CY1和CY2用來(lái)濾除來(lái)自電網(wǎng)的共模干擾，稱為Y電容，通常取值為1～4.7 nF，這里取2.2 nF；同樣用來(lái)消除共模干擾的共模電感L1的取值8～33 mH，這里取8 mH，采取雙線并繞。

輸入整流電路選擇不可控全波整流橋。整流橋的反向耐壓值應(yīng)大于1.25倍的最大直流輸入電壓，整流橋的額定電流應(yīng)大于兩倍的交流輸入的有效值，計(jì)算后選擇反向擊穿電壓為560 V，額定電流為3 A的KBP306整流橋。

在當(dāng)前的供電條件下，輸入儲(chǔ)能電容器CIN的值根據(jù)輸出功率按照2～3 μF/W來(lái)取值，考慮余量，取CIN=100 μF/400 V的電解電容。假設(shè)整流橋中二極管導(dǎo)通時(shí)間為tc=3 ms，可由：

（1）

（2）

得到輸入直流電壓的最小值和最大值。

3.3 鉗位保護(hù)電路

當(dāng)功率開(kāi)關(guān)關(guān)斷時(shí)，由于漏感的影響，高頻變壓器的初級(jí)繞組上會(huì)產(chǎn)生反射電壓和尖峰電壓，這些電壓會(huì)直接施加在TOPSwitch芯片的漏極上，不加保護(hù)極容易使功率開(kāi)關(guān)MOSFET燒壞。加入由R1、C2和VD1組成經(jīng)典的RCD鉗位保護(hù)電路，則可以有效地吸收尖峰沖擊將漏極電壓鉗位在200 V左右，保護(hù)芯片不受損壞。推薦鉗位電阻R1取27 kΩ/2 W，VD1鉗位阻斷二極管快恢復(fù)二極管耐壓800 V的FR106，鉗位電容選取22 nF/600 V的CBB電容。

3.4 高頻變壓器

3.4.1 磁芯的選擇

磁芯是制造高頻變壓器的重要組成，設(shè)計(jì)時(shí)合理、正確地選擇磁芯材料、參數(shù)、結(jié)構(gòu)，對(duì)變壓器的使用性能和可靠性，將產(chǎn)生至關(guān)重要的影響。高頻變壓器磁芯只工作在磁滯回線的第一象限。在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)只儲(chǔ)存能量，而在截止時(shí)向負(fù)載傳遞能量。因?yàn)殚_(kāi)關(guān)頻率為100 kHz，屬于比較高的類型，所以選擇材料時(shí)選擇在此頻率下效率較高的鐵氧體，由：

（3）

估算磁芯有效截面積為0.71 cm2，根據(jù)計(jì)算出的考慮到閾量，查閱磁芯手冊(cè)，選取EE2825，其磁芯長(zhǎng)度A=28 mm，有效截面積SJ=0.869 cm2，有效磁路長(zhǎng)度L=5.77 cm，磁芯的等效電感AL=3.3 μH/匝2，骨架寬度Bw=9.60 mm。

3.4.2 初級(jí)線圈的參數(shù)[3]

（1）最大占空比。根據(jù)式（1），代入數(shù)據(jù)：寬范圍輸入時(shí)，次級(jí)反射到初級(jí)的反射電壓VoR取135 V，查閱TOP223Y數(shù)據(jù)手冊(cè)知MOSFET導(dǎo)通時(shí)的漏極至源極的電壓VDS=10 V，則：

（4）

（2）設(shè)置。KRP=，其中IR為初級(jí)紋波電流；IP為初級(jí)峰值電流；KRP用以表征開(kāi)關(guān)電源的工作模式（連續(xù)、非連續(xù)）。連續(xù)模式時(shí)KRP小于1，非連續(xù)模式KRP大于1。對(duì)于KRP的選取，一般由最小值選起，即當(dāng)電網(wǎng)入電壓為100 VAC/115 VAC或者通用輸入時(shí)，KRP=0.4；當(dāng)電網(wǎng)輸入電壓為230 VAC時(shí)，取KRP=0.6。當(dāng)選取的KRP較小時(shí)，可以選用小功率的功率開(kāi)關(guān)，但高頻變壓器體積相對(duì)要大，反之，當(dāng)選取的KRP較大時(shí)，高頻變壓器體積相對(duì)較小，但需要較大功率的功率開(kāi)關(guān)。對(duì)于KRP的選取需要根據(jù)實(shí)際不斷調(diào)整取最佳。

（3）初級(jí)線圈的電流

初級(jí)平均輸入電流值（單位：A）：

（5）

初級(jí)峰值電流值（單位：A）：

（6）

初級(jí)脈動(dòng)（紋波）電流值（單位：A）：

初級(jí)有效電流值（均方根值RMS（單位：A））：

（7）

查閱手冊(cè)，由：

（8）

可知，選取合適。TOPSwitch器件的選擇遵循的原則是選擇功率容量足夠的最小的型號(hào)。

（4）變壓器初級(jí)電感

（9）

（5）氣隙長(zhǎng)度

（10）

Lg>0.051 mm，參數(shù)合適，μy為常數(shù)4π×10?7 H/m。

3.4.3 初級(jí)次級(jí)繞組匝數(shù)[4]

當(dāng)電網(wǎng)電壓為230 V和通用輸入220 V時(shí)：每伏特取0.6匝，即KNS=0.6。由于輸出側(cè)采用較大功率的肖特基二極管用作輸出整流二極管，因此VD取0.7 V，磁芯的最大工作磁通密度在BM在2 000～3 000 GS范圍內(nèi)。偏置二極管VDB的壓降取0.7 V，偏置電壓VB取12 V。

初級(jí)繞組匝數(shù)：

（10）

次級(jí)繞組匝數(shù)：

（11）

（12）

偏置繞組匝數(shù)：

（13）

3.5 輸出整流濾波電路

由整流二極管、濾波電容和平波電感組成。將次級(jí)繞組的高頻方波電壓轉(zhuǎn)變成脈動(dòng)的直流電壓，再通過(guò)輸出濾波電路濾除高頻紋波，使輸出端獲得穩(wěn)定的直流電壓。肖特基二極管正向?qū)〒p耗小、反向恢復(fù)時(shí)問(wèn)短，在降低反向恢復(fù)損耗以及消除輸出電壓中的紋波方面有明顯的性能優(yōu)勢(shì)，所以選用肖特基二極管作為整流二極管，參數(shù)根據(jù)最大反向峰值電壓VR選擇，同時(shí)二極管的額定電流應(yīng)該至少為最大輸出電流的3～5倍。次級(jí)繞組的反向峰值電壓VSM為：

（14）

（15）

式中：VS為次級(jí)繞組的輸出電壓；VACMAX為輸入交流電壓最大值，則：

（16）

（17）

則VR1=22 V，VR2=57.1 V，VD2，VD3，VD4均選擇MBR1060CT，最大反向電壓60 V，最大整流電流10 A。RC串聯(lián)諧振可以消除尖峰脈沖，防止二極管擊穿。

第一級(jí)濾波電容的選擇由式（18）確定：

（18）

式中：Iout是輸出端的額定電流，單位為A；Dmin是在高輸入電壓和輕載下所估計(jì)的最小占空比（估計(jì)值為0.3）；V（PK?PK）是最大的輸出電壓紋波峰峰值，單位為mV。計(jì)算得出后考慮閾值C6取100 μF/10 V，C8取220 μF/35 V。

第二級(jí)經(jīng)LC濾波使不滿足紋波要求的電壓再次濾波。輸出濾波電容器不僅要考慮輸出紋波電壓是否可以滿足要求，還要考慮抑制負(fù)載電流的變化，在這里可以選擇C7取22 μF/10 V，C9取10 μF/35 V。C5取經(jīng)驗(yàn)值0.1 μF/25 V。輸出濾波電感根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取2.2～4.7 μH，采用3.3 μH的穿心電感，能主動(dòng)抑制開(kāi)關(guān)噪聲的產(chǎn)生。為減少共模干擾，在輸出的地與高壓側(cè)的地之間接共模抑制電容C15。

3.6 反饋回路設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)電源的反饋電路有四種類型：基本反饋電路、改進(jìn)型基本反饋電路、配穩(wěn)壓管的光耦反饋電路、配TL431的光耦反饋電路。本設(shè)計(jì)采用電壓調(diào)整率精度高的可調(diào)式精密并聯(lián)穩(wěn)壓器TL431加線形光耦PC817A構(gòu)成反饋回路。

TL431通過(guò)電路取樣電阻來(lái)檢測(cè)輸出電壓的變化量ΔU，然后將采樣電壓送入TL431的輸入控制端，與TL431的2.5 V參考電壓進(jìn)行比較，輸出電壓UK也發(fā)生相應(yīng)變化，從而使線性光電耦合器中的發(fā)光二極管工作電流發(fā)生線性變化，光電耦合器輸出電流。

經(jīng)過(guò)光電耦合器和TL431組成的外部誤差放大器，調(diào)節(jié)TOP223Y控制端C的電流IC，調(diào)整占空比D（IC與D成反比），從而使輸出電壓變化，達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

對(duì)于電路中的反饋部分，開(kāi)關(guān)電源反饋電路僅從一路輸出回路引出反饋信號(hào)，其余未加反饋電路。這樣，當(dāng)5 V輸出的負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)，定會(huì)影響12 V輸出的穩(wěn)定性。

解決方法是給12 V輸出也增加反饋電路。另外，電路中C10為TL431的頻率補(bǔ)償電容，可以提高TL431的瞬態(tài)頻率響應(yīng)。R5為光電耦合器的限流電阻，R5的大小決定控制環(huán)路的增益。電容器C13為軟啟動(dòng)電容器，可以消除剛啟動(dòng)電源時(shí)芯片產(chǎn)生的電壓過(guò)沖。

下面主要是確定R4～R8的值：

按照應(yīng)用要求，對(duì)5 V電源要求較高，但也要兼顧12 V電源，權(quán)衡反饋量，將R7，R8的反饋權(quán)值均設(shè)置為0.6，0.4，各個(gè)輸出的穩(wěn)定性均得到保障和提高。

只有5 V輸出有反饋時(shí)，如R4，R7取值均為10 kΩ，此時(shí)電流=250 μA，分權(quán)后，R7分得150 μA、R8分得150 μA。根據(jù)TL431的特性知，Vo，VREF，R7，R8，R4之間存在以下關(guān)系：

（19）

（20）

式中：VREF為TL431參考端電壓，為2.5 V；Vo為TL431輸出電壓。根據(jù)電流分配關(guān)系得（單位：kΩ）：

（21）

（22）

又由電路可知 ：

（23）

式中：VF 為光耦二極管的正向壓降，由PC817技術(shù)手冊(cè)知，典型值為1.2 V。先取R5=390 Ω，可得R6=139 Ω，取標(biāo)稱值150 Ω。

3.7 控制回路

由電容C7和電阻R12串聯(lián)組成。C9用來(lái)濾除控制端的尖峰電壓并決定自動(dòng)重啟動(dòng)時(shí)序，并和R12一起設(shè)定控制環(huán)路的主極點(diǎn)為反饋控制回路進(jìn)行環(huán)路補(bǔ)償。由數(shù)據(jù)手冊(cè)知，C9選擇47 μF/25 V的電解電容，當(dāng)C9 =47 μF時(shí)，自動(dòng)重啟頻率為1.2 Hz，即每隔0.83 s檢測(cè)一次調(diào)節(jié)失控故障是否已經(jīng)被排除，若確認(rèn)已被排除，就自動(dòng)重啟開(kāi)關(guān)電源恢復(fù)正常工作[1]。R12取6.2 Ω。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

根據(jù)以上的設(shè)計(jì)方法和規(guī)范，設(shè)計(jì)出的一種基于TOP223Y雙路+5 V/3 A，+12 V/1 A輸出的反激式開(kāi)關(guān)電源。在寬范圍85～265 VAC的輸入范圍下對(duì)其性能進(jìn)行了測(cè)試，如表1所示。

表1 開(kāi)關(guān)電源輸入性能測(cè)試數(shù)據(jù)（部分）

由以上選取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出，+5 V/3 A（反饋權(quán)重0.6，負(fù)載500 Ω）輸出的電壓調(diào)整率為SV = ±0.18%，輸出的紋波電壓為39 mV，輸出的最大電流為3.2 A；

+12 V/1 A（反饋權(quán)重0.4，負(fù)載750 Ω）輸出的電壓調(diào)整率為SV = ±0. 3%，輸出的紋波電壓為68 mV，輸出的最大電流為1.10 A。

該電源在滿載狀態(tài)時(shí)，功率可達(dá)27.6 W，最大占空比為0.60， 電源效率為83.1%，開(kāi)關(guān)電源具有良好的性能，滿足應(yīng)用要求。

6 結(jié) 語(yǔ)

本開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)，芯片的高度集成化，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。電源的性能通過(guò)參數(shù)的調(diào)節(jié)仍有提升的空間。雙輸出雙反饋異權(quán)重的設(shè)計(jì)使開(kāi)關(guān)電源的更加實(shí)用靈活，不同的保護(hù)電路的設(shè)計(jì)，使電源的實(shí)用更加安全可靠，該電源在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)良好。

參考文獻(xiàn)

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開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)范文第3篇

關(guān)鍵詞：UC3842 開(kāi)關(guān)電源 PWM

1.引言

開(kāi)關(guān)電源是運(yùn)用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)開(kāi)啟和關(guān)閉的時(shí)候，這個(gè)比率的輸出電壓穩(wěn)定的電源，電源一般由脈寬調(diào)制控制集成電路和場(chǎng)效應(yīng)晶體管。開(kāi)關(guān)電源、線性電源，并與成本的功率輸出的增加，但這兩種不同的發(fā)展速度。在某一線性功率成本的輸出功率的觀點(diǎn)，但高于開(kāi)關(guān)電源，它被稱為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新、開(kāi)關(guān)電源技術(shù)在不斷的創(chuàng)新，這一成本更低的輸出功率對(duì)于移動(dòng)、開(kāi)關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間。

2.UC3842的原理及技術(shù)參數(shù)

2.1 UC3842的原理和概述

UC3842 是開(kāi)關(guān)電源用電流控制方式的脈寬調(diào)制集成電路。與電壓控制方式相比在負(fù)載響應(yīng)和線性調(diào)整度等方面有很多優(yōu)越之處。

圖1 UC3842 內(nèi)部原理框圖

該電路主要特點(diǎn)有：

（1）內(nèi)含欠電壓鎖定電路 、低起動(dòng)電流（典型值為0.12mA）；

（2）穩(wěn)定的內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源、大電流推挽輸出（驅(qū)動(dòng)電流達(dá)1A）；

（3）工作頻率可到500kHz 、自動(dòng)負(fù)反饋補(bǔ)償電路；

（4）雙脈沖抑制、較強(qiáng)的負(fù)載響應(yīng)特性。

圖1 所示出了UC3842 內(nèi)部框圖和引腳圖，UC3842 采用固定工作頻率脈沖寬度可控調(diào)制方式，共有8 個(gè)引腳，各腳功能如下：

①腳是誤差放大器的輸出端，外接阻容元件用于改善誤差放大器的增益和頻率特性；

②腳是反饋電壓輸入端，此腳電壓與誤差放大器同相端的2.5V 基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差電壓，從而控制脈沖寬度；

③腳為電流檢測(cè)輸入端， 當(dāng)檢測(cè)電壓超過(guò)1V時(shí)縮小脈沖寬度使電源處于間歇工作狀態(tài)；

④腳為定時(shí)端，內(nèi)部振蕩器的工作頻率由外接的阻容時(shí)間常數(shù)決定，f=1.8/（RT×CT）；

⑤腳為公共地端；

⑥腳為推挽輸出端，內(nèi)部為圖騰柱式，上升、下降時(shí)間僅為50ns 驅(qū)動(dòng)能力為±1A ；

⑦腳是直流電源供電端，具有欠、過(guò)壓鎖定功能，芯片功耗為15mW；

⑧腳為5V 基準(zhǔn)電壓輸出端，有50mA 的負(fù)載能力。

2.2 UC3842的技術(shù)參數(shù)

3.12V/5A單端反激開(kāi)關(guān)電源原理

3.1 12V/5A電路原理圖

圖2 電路原理圖

3.2 原理分析

1）系統(tǒng)原理

以UC3842為核心控制部件，設(shè)計(jì)一款A(yù)C 220V輸入，DC 12V輸出的單端反激式開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源。開(kāi)關(guān)電源控制電路是一個(gè)電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。變換器的幅頻特性由雙極點(diǎn)變成單極點(diǎn)，因此，增益帶寬乘積得到了提高，穩(wěn)定幅度大，具有良好的頻率響應(yīng)特性。主要的功能模塊包括：?jiǎn)?dòng)電路、過(guò)流過(guò)壓欠壓保護(hù)電路、反饋電路、整流電路。以下對(duì)各個(gè)模塊的原理和功能進(jìn)行分析。電路原理圖如圖2所示。

2）啟動(dòng)電路

如圖2所示交流電由C16、L1、C15以及C14、C13進(jìn)行低通濾波，其中C16、C15組成抗串模干擾電路，用于抑制正態(tài)噪聲；C14、C13、L1組成抗共模干擾電路，用于抑制共態(tài)噪聲干擾。它們的組合應(yīng)用對(duì)電磁干擾由很強(qiáng)的衰減旁路作用。濾波后的交流電壓經(jīng)D1～D4橋式整流以及電解電容C1、C2濾波后變成3lOV的脈動(dòng)直流電壓，此電壓經(jīng)R1降壓后給C8充電，當(dāng)C8的電壓達(dá)到UC3842的啟動(dòng)電壓門檻值時(shí)，UC3842開(kāi)始工作并提供驅(qū)動(dòng)脈沖，由腳6輸出推動(dòng)開(kāi)關(guān)管工作。隨著UC3842的啟動(dòng)，R1的工作也就基本結(jié)束，余下的任務(wù)交給反饋繞組，由反饋繞組產(chǎn)生電壓給UC3842供電。由于輸入電壓超過(guò)了UC3842的工作，為了避免意外，用D10穩(wěn)壓管限定UC3842的輸入電壓，否則將出現(xiàn)UC3842被損壞的情況。

3）15V/5A電路的短路過(guò)流、過(guò)壓、欠壓保護(hù)

由于輸入電壓的不穩(wěn)定，或者一些其他的外在因素，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致電路出現(xiàn)短路、過(guò)壓、欠壓等不利于電路工作的現(xiàn)象發(fā)生，因此，電路必須具有一定的保護(hù)功能。如圖2所示，如果由于某種原因，輸出端短路而產(chǎn)生過(guò)流，開(kāi)關(guān)管的漏極電流將大幅度上升，R9兩端的電壓上升，UC3842的腳3上的電壓也上升。當(dāng)該腳的電壓超過(guò)正常值0.3V達(dá)到1V（即電流超過(guò)1.5A）時(shí)，UC3842的PWM比較器輸出高電平，使PWM鎖存器復(fù)位，關(guān)閉輸出。這時(shí)，UC3842的腳6無(wú)輸出，MOS管S1截止，從而保護(hù)了電路。如果供電電壓發(fā)生過(guò)壓（在265V以上），UC3842無(wú)法調(diào)節(jié)占空比，變壓器的初級(jí)繞組電壓大大提高，UC3842的腳7供電電壓也急劇上升，其腳2的電壓也上升，關(guān)閉輸出。如果電網(wǎng)的電壓低于85V，UC3842的腳1電壓也下降，當(dāng)下降lV（正常值是3.4V）以下時(shí)，PWM比較器輸出高電平，使PWM鎖存器復(fù)位，關(guān)閉輸出。如果人為意外地將輸出端短路，這時(shí)輸出電流將成倍增大，使得自動(dòng)恢復(fù)開(kāi)關(guān)RF內(nèi)部的熱量激增，它立即斷開(kāi)電路，起到過(guò)壓保護(hù)作用。一旦故障排除，自動(dòng)恢復(fù)開(kāi)關(guān)RF在5s之內(nèi)快速恢復(fù)阻抗。因此，此電路具有短路過(guò)流、過(guò)壓、欠壓三重保護(hù)。

4）反饋電路

反饋電路采用精密穩(wěn)壓源TL431和線性光耦PC817。利用TL43l可調(diào)式精密穩(wěn)壓器構(gòu)成誤差電壓放大器，再通過(guò)線性光耦對(duì)輸出進(jìn)行精確的調(diào)整。如圖2所示，R4、R5是精密穩(wěn)壓源的外接控制電阻，它們決定輸出電壓的高低，和TL431一并組成外部誤差放大器。當(dāng)輸出電壓升高時(shí)，取樣電壓VR7也隨之升高，設(shè)定電壓大于基準(zhǔn)電壓（TL431的基準(zhǔn)電壓為2.5V），使TL431內(nèi)的誤差放大器的輸出電壓升高，致使片內(nèi)驅(qū)動(dòng)三極管的輸出電壓降低，也使輸出電壓Vo下降，最后Vo趨于穩(wěn)定；反之，輸出電壓下降引起設(shè)置電壓下降，當(dāng)輸出電壓低于設(shè)置電壓時(shí)，誤差放大器的輸出電壓下降，片內(nèi)的驅(qū)動(dòng)三極管的輸出電壓升高，最終使得UC3842的腳1的補(bǔ)償輸入電流隨之變化，促使片內(nèi)對(duì)PWM比較器進(jìn)行調(diào)節(jié)，改變占空比，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。R7、R8的阻值是這樣計(jì)算的：先固定R7的阻值，再計(jì)算R8的阻值，即

5）輸出整流濾波電路

輸出整流濾波電路直接影響到電壓波紋的大小，影響輸出電壓的性能。開(kāi)關(guān)電源輸出端中對(duì)波紋幅值的影響主要有以下幾個(gè)方面。

（1）輸入電源的噪聲，是指輸入電源中所包含的交流成分。解決的方案是在電源輸入端加電容C5，以濾除此噪聲干擾。

（2）高頻信號(hào)噪聲，開(kāi)關(guān)電源中對(duì)直流輸入進(jìn)行高頻的斬波，然后通過(guò)高頻的變壓器進(jìn)行傳輸，在這個(gè)過(guò)程中，必然會(huì)摻人高頻的噪聲干擾。還有功率管器件在開(kāi)關(guān)的過(guò)程中引起的高頻噪聲。對(duì)于這類高頻噪聲的解決方案是在輸出端采用π型濾波的方式。濾波電感采用150μH的電感，可濾除高頻噪聲。

（3）采用快速恢復(fù)二極管D6、D7整流。基于低壓、功耗低、大電流的特點(diǎn)，有利于提高電源的效率，其反向恢復(fù)時(shí)間短，有利于減少高頻噪聲。

參考文獻(xiàn)

[1]嚴(yán)仰光.雙向直流變換器. 南京： 江蘇科學(xué)技術(shù)出版社， 2004.11

開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)范文第4篇

【關(guān)鍵詞】抗干擾;電源芯片;智能;誤差放大

Abstract：In recent years，with the rapid development of new energy technology，develop a high efficiency and energy saving，service life long power chips become a hot spot.AC/DC switching power supply converter source with its advantage of price and volume efficiency，has been widely applied in the field of small power sources.Based on the working principle of AC/DC switching power supply converter，found that the error amp had a great influence on the precision of the power chip，and accordingly puts forward a kind of combined error amplifier，would reduce the output voltage of the light load to full load to 40 mv.And put forward the intelligent resistance peak circuit，reduced the LEB end and the switch is off，the time lag of safety performance improvement.This chip test，finally found the ESD resistance up to 10 kv，chip performance is stable.Hope for the future power supply chip design to provide the reference.

Keyword：anti-interference;power chips;intelligent;error amplifier

引言

AC/DC開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器以其價(jià)格、效率、體積等優(yōu)勢(shì)在小功率電源領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，電腦、顯示器、路由器、移動(dòng)設(shè)備都離不開(kāi)AC/DC開(kāi)關(guān)電源[1]。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源的功率、工作頻率等都大幅提升，但是由于電源中的電流和電壓不能突變，交替過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生功率損耗。研究表明，此損耗與頻率成線性關(guān)系，因此電源工作頻率越高，損耗也就更大。

近些年來(lái)，隨著新能源技術(shù)的飛速發(fā)展，研發(fā)一種高效節(jié)能、使用年限長(zhǎng)的電源芯片勢(shì)在必行[2]。從需求來(lái)看，電源發(fā)展趨于智能化、集成化、數(shù)字化、微型化、高頻化等方向[3]。本文基于AC/DC開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的工作原理，設(shè)計(jì)了一種PFM型恒流恒壓模式抗干擾AC/DC適配器。設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)誤差放大器對(duì)整個(gè)電源芯片的精度影響很大，據(jù)此提出一種組合式的誤差放大器，設(shè)置兩條不同增益的誤差放大電流，分別為40倍和400倍，將輕載到滿載的電壓輸出降低到40mV。減少了LEB結(jié)束與開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的時(shí)間差，使安全性能提高。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)本電源芯片抗ESD能力達(dá)到10kV，性能穩(wěn)定。

1.AD/DC開(kāi)關(guān)電源工作原理

AC/DC開(kāi)關(guān)電源輸入信號(hào)為低頻交流電壓，輸出信號(hào)為直流電壓和電流，中間的轉(zhuǎn)換過(guò)程通過(guò)整流電路和濾波器完成。由于開(kāi)關(guān)電源極易受到干擾，一般都是隔離放置。電路內(nèi)部還需要升壓裝置，故器件本身體積較大。

其工作原理是[4]：交流信號(hào)首先經(jīng)過(guò)橋式整流器和PFC功率校正器，在經(jīng)過(guò)EMI濾波器變成類直流信號(hào)，隨后經(jīng)過(guò)升壓裝置進(jìn)行耦合傳輸，開(kāi)關(guān)導(dǎo)管完成信號(hào)輸出。開(kāi)關(guān)電源一次傳遞的能量由PFM控制開(kāi)關(guān)的占空比確定，在輸出端完成整流后實(shí)現(xiàn)AC/DC轉(zhuǎn)換。其電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 AC/DC開(kāi)關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)

上述系統(tǒng)一般通過(guò)光耦合將輸出的電壓信號(hào)反饋給電源芯片，圖1中的電壓信號(hào)以原邊反饋形式輸出。電源芯片負(fù)責(zé)求出參考電壓信號(hào)與反饋電源信號(hào)的誤差，并通過(guò)誤差放大器將其放大。此誤差為控制系統(tǒng)工作頻率和脈沖寬度的信號(hào)，直接決定占空比和傳遞能量的大小。

根據(jù)本文的相關(guān)要求，初步設(shè)置電流誤差不超過(guò)10%，電壓誤差不超過(guò)5%，輸出恒壓電壓的波動(dòng)值小于0.2V，電源轉(zhuǎn)換效率不低于70%，電磁干擾裕量設(shè)置為6dB，抗ESD能力達(dá)到8kV以上。選用PFM型恒流恒壓模式抗干擾AC/DC適配器，芯片內(nèi)部系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 電源芯片內(nèi)部系統(tǒng)框架

2.芯片重要模塊電路研究

芯片中至關(guān)重要的模塊就是帶隙基準(zhǔn)電壓源，其作為整個(gè)電路原始電壓參考值，影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能[5]。帶隙基準(zhǔn)電壓源電路穩(wěn)定后才能提供參考電壓Vref，此電路的電壓由VCC提供，變化范圍在9V～18V，工作環(huán)境欠佳。本文對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，將VCC的電壓降低到 6V，在通過(guò)高壓管給芯片帶隙基準(zhǔn)電壓源供電，這樣可以使電壓源較為穩(wěn)定。改進(jìn)之后，芯片核心電路不在需要高壓管，會(huì)節(jié)省其體積并降低制造成本。

低壓線性差穩(wěn)壓源可以給芯片內(nèi)部電路供電，并供給一些偏置裝置。一般情況下，低壓線性差穩(wěn)壓源的供電能力要不低于2mA，此為電路的滿載電流。電流過(guò)低，低壓線性差穩(wěn)壓源的電壓將會(huì)降低，導(dǎo)致電路無(wú)法工作。

誤差放大器可以提高輸出電壓精度，其系統(tǒng)電路如圖3所示。

圖3 誤差放大器電路

傳統(tǒng)放大器的輸出電壓為：

其中，VH為誤差放大器的正端電位，V;Vref為誤差放大器的負(fù)端電位，V;gm為跨導(dǎo)，S;RO為上電阻，Ω;VDC是DC端的電位，V。

為了增大芯片的控制范圍，將輸出電壓的范圍設(shè)置為1V～5V，重載時(shí)的輸出電壓取1V，輕載時(shí)取5V。將其進(jìn)行折算，得到的輸出電壓偏差為：

其中，R1為下電阻，Ω;NS、Naus為電感，如圖3所示。

說(shuō)明傳統(tǒng)芯片輕載與滿載變化過(guò)程會(huì)出現(xiàn)0.2V的電壓差。為了克服這個(gè)問(wèn)題，提出一種復(fù)合放大電路，其包含快、慢兩條增益電路。在負(fù)載迅速變化時(shí)，快速通路作用;當(dāng)系統(tǒng)接近穩(wěn)定時(shí)，慢速通路作用。這樣兩個(gè)增益通路共同作用實(shí)現(xiàn)了電源芯片的高精度輸出，從而保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。改進(jìn)的誤差放大器電路如圖4所示。

圖4 改進(jìn)的誤差放大器電路圖

3.芯片系統(tǒng)測(cè)試

對(duì)AC/DC開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器芯片各個(gè)部分進(jìn)行設(shè)計(jì)之后，最終得到的電源芯片含有5個(gè)pin腳，其典型應(yīng)用電路連接如圖5所示。

圖5 電源芯片典型應(yīng)用電路連接

由圖5可以看出，整個(gè)芯片所需要的電量都是由電容C提供。OUT是輸出腳，可以控制開(kāi)關(guān)管的連接與斷開(kāi)。對(duì)芯片系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 芯片系統(tǒng)板端實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

90V 264V

I（mA） U（V） 紋波（mV） I（mA） U（V） 紋波（mV）

0 4.85 44 0 4.85 47

100 4.9 68 100 4.91 69

200 4.95 73 200 4.96 77

300 5 82 300 5.02 88

400 5.04 92 400 5.03 93

500 5.09 94 500 5.09 101

600 5.15 99 600 5.13 110

700 5.19 119 700 5.19 118

800 5.24 120 800 5.24 130

900 5.28 130 900 5.29 138

1000 5.32 150 1000 5.33 141

1025 5.32 152 1025 5.35 156

1050 5.17 160 1050 5.06 150

1091 4.75 158 1075 4.75 148

1105 2.5 148 1086 2.5 155

為了滿足不同國(guó)家的需求，芯片系統(tǒng)電壓選擇了90V和264V兩種初始條件。從表1中的數(shù)據(jù)分析，線損補(bǔ)償大約為10%，基本接近設(shè)計(jì)目標(biāo)9%。整個(gè)系統(tǒng)補(bǔ)償過(guò)程為類似線性補(bǔ)償，最大波紋出現(xiàn)在電流為1050mA時(shí)，為160mV，小于200mV的設(shè)計(jì)值。系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率約為74%，達(dá)到高效的要求。電源芯片抗干擾裕量為7.6dB，大于設(shè)計(jì)值6dB。氣隙放電模式的系統(tǒng)能抵抗10KV的ESD干擾。經(jīng)測(cè)試，本芯片系統(tǒng)滿足各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)。

4.結(jié)語(yǔ)

隨著新能源技術(shù)的飛速發(fā)展，研發(fā)一種高效節(jié)能、壽命長(zhǎng)的電源芯片勢(shì)在必行。本文基于AC/DC開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的工作原理，設(shè)計(jì)了一種PFM型恒流恒壓模式抗干擾AC/DC適配器。討論了帶隙基準(zhǔn)電壓源、低壓線性差穩(wěn)壓源、誤差放大器等字模塊。設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)誤差放大器對(duì)整個(gè)電源芯片的精度影響很大，據(jù)此提出一種組合式的誤差放大器，設(shè)置兩條不同增益的誤差放大電流，分別為40倍和400倍，將輕載到滿載的電壓輸出降低到40mV。減少了LEB結(jié)束與開(kāi)關(guān)斷開(kāi)的時(shí)間差，使安全性能提高。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)測(cè)量，發(fā)現(xiàn)本電源芯片抗ESD能力達(dá)到10kV，最大波紋為160mV，電源芯片抗干擾裕量為7.6dB，且性能穩(wěn)定。希望為今后AC/DC開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)制造提供幫助。

參考文獻(xiàn)

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開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)范文第5篇

【關(guān)鍵詞】反激式開(kāi)關(guān)電源；鉗位電路；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1.反激式開(kāi)關(guān)電源鉗位電路概述

就鉗位電路而言，其最為主要的作用是將脈沖信號(hào)波形的某一個(gè)部分固定于一個(gè)電平之上，以此來(lái)使其低于設(shè)定值。在反激式開(kāi)關(guān)電源當(dāng)中，鉗位電路一般都是設(shè)置在主開(kāi)關(guān)管與變壓器相連接的位置處，此時(shí)該電路的作用是對(duì)主電路開(kāi)關(guān)管進(jìn)行有效保護(hù)，同時(shí)抑制變壓器漏電感與開(kāi)關(guān)管雜散電容的諧振脈沖電壓。由于反激式開(kāi)關(guān)電源的主開(kāi)關(guān)管在導(dǎo)通或是截止時(shí)，其兩端會(huì)出現(xiàn)一定程度的電壓，同時(shí)還會(huì)伴隨出現(xiàn)一定強(qiáng)度的電流，這樣一來(lái)，便會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)管損耗。為進(jìn)一步降低整個(gè)電路的損耗，在進(jìn)行鉗位電路的設(shè)計(jì)時(shí)，需要充分考慮對(duì)主開(kāi)關(guān)管的保護(hù)以及盡可能減少電路損耗，從而確保開(kāi)關(guān)管始終處于低電壓應(yīng)力及無(wú)損耗的條件下工作，通常將這種情況稱之為軟開(kāi)關(guān)。軟開(kāi)關(guān)的方式通常都是相對(duì)于硬開(kāi)關(guān)而言的，開(kāi)關(guān)管在硬開(kāi)關(guān)的工作方式下會(huì)出現(xiàn)一定的能量損耗，而在軟開(kāi)關(guān)的方式下，則基本處于無(wú)損耗的狀態(tài)。在反激式開(kāi)關(guān)電源中，想要實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管在軟開(kāi)關(guān)的條件下工作，就必須確保其兩端電壓或是電流在導(dǎo)通或是截止時(shí)有一個(gè)數(shù)值為零。在這一前提下，可將開(kāi)關(guān)管的工作方式分為以下兩種：一種是零電壓工作方式，另一種是零電流工作方式。

鉗位電路是反激式開(kāi)關(guān)電源當(dāng)中不可或缺的保護(hù)電路，其對(duì)于整個(gè)電源的安全性以及能量損耗均有著非常重要的影響。在實(shí)際使用過(guò)程中，反激式開(kāi)關(guān)電源電路當(dāng)中的元器件很難全部處于理想的狀態(tài)，加之變壓器本身存在一定程度的漏電感，開(kāi)關(guān)管上開(kāi)會(huì)分布雜散電容，這兩者均會(huì)對(duì)開(kāi)關(guān)管構(gòu)成威脅，故此，必須通過(guò)加入鉗位電路來(lái)有效抑制尖峰電壓。在反激式開(kāi)關(guān)電源中，RCD鉗位電路是應(yīng)用比較廣泛的一種鉗位網(wǎng)絡(luò)，究其根本原因是其電路結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，具體是由電阻、電容和二極管構(gòu)成。在該電路結(jié)構(gòu)當(dāng)中，電阻具有消耗儲(chǔ)存在變壓器漏電感中能量的作用，而電容的存在主要是保證能夠獲得一個(gè)低文波的直流源，二極管則具有單向?qū)üδ?。?dāng)開(kāi)關(guān)管處于截止?fàn)顟B(tài)時(shí)，RCD鉗位電路開(kāi)始工作，此時(shí)變壓器的漏電感能量也隨之釋放，二極管導(dǎo)通并對(duì)電容進(jìn)行充電，當(dāng)二極管的反向電壓超過(guò)正向電壓時(shí)，其便會(huì)截止，而電容則會(huì)借助電阻進(jìn)行放電并消耗能量。不同的電容充電時(shí)間也均不相同，其對(duì)鉗位效果的影響也存在一定的差異。通過(guò)大量的試驗(yàn)得出如下結(jié)論：RCD鉗位電路當(dāng)中的電容過(guò)大或是過(guò)小都無(wú)法達(dá)到鉗位的效果，鑒于此，確定最為合適電容值至關(guān)重要。

2.針對(duì)反激式開(kāi)關(guān)電源鉗位電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

從目前反激式開(kāi)關(guān)電源的鉗位電路設(shè)計(jì)的總體情況看上，其逐步朝著提升電源電路的可靠性和高效性方向發(fā)展，與此同時(shí)，在實(shí)現(xiàn)諸多功能的基礎(chǔ)上，鉗位電路的設(shè)計(jì)也隨之變得復(fù)雜化。然而，由于受多方面條件的影響和制約，使得反激式電源開(kāi)關(guān)的鉗位電路設(shè)計(jì)還存在一些不足之處。故此，下面本文重點(diǎn)對(duì)鉗位電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

2.1電路結(jié)構(gòu)與基本工作原理分析

經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后得到了低鉗位電壓ZVS反激式開(kāi)關(guān)電源，如圖1所示。

圖1 低鉗位電壓反激式開(kāi)關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)示意圖

由圖1可知，該電源為關(guān)，其中主開(kāi)關(guān)管有兩個(gè)，分別為S1和S2；輔助開(kāi)關(guān)管有兩個(gè)，分別為S3和S4；輸出整流二極管位于變壓器的副邊，用字母D表示；輸出端的濾波電容為Co，其與輸入端通過(guò)變壓器（T）相連接，T還具備電氣隔離的作用；Cos1、Cos2、Cos3和Cos4分別為開(kāi)關(guān)管S1～S4的雜散電容，且C=C=C=C；d1、d2、d3、d4分別為S1～S4的體二極管。Cc1與Cc2分別為鉗位電路部分的鉗位電容；Llk為（T）的漏電感，LM為（T）的原邊電感，原邊與副邊電感的匝數(shù)比為n1：n2；全部開(kāi)關(guān)管的周期均為Ts，可用1/ 來(lái)表示。該鉗位電路經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后，開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電路較之單開(kāi)關(guān)電路復(fù)雜很多，以一個(gè)工作周期為例，S1與S2同時(shí)導(dǎo)通和截止，而S3與S4則會(huì)在S1與S2截止一段時(shí)間后自動(dòng)導(dǎo)通，并在S1與S2導(dǎo)通前的一段時(shí)間截止。通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)管之間的導(dǎo)通次序進(jìn)行合理控制，能夠有效確保全部開(kāi)關(guān)管均在ZVS的方式下運(yùn)行，并且S1～S4開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力均鉗位于比輸入電壓低。

2.2電源優(yōu)化后的穩(wěn)態(tài)分析

為了對(duì)優(yōu)化之后的鉗位電路特性進(jìn)行系統(tǒng)分析，將某個(gè)周期內(nèi)的電路工作時(shí)序狀態(tài)分為三個(gè)階段，并假定各個(gè)時(shí)序全部處于穩(wěn)定狀態(tài)，以此作為前提進(jìn)行具體分析：

階段1：（t

階段2：（t

階段3：（t

在上述三個(gè)階段內(nèi)，電源實(shí)現(xiàn)了能量的傳遞，通過(guò)對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的鉗位電路在各階段作用的分析后得出如下結(jié)論：優(yōu)化設(shè)計(jì)的鉗位能夠?qū)崿F(xiàn)全部開(kāi)關(guān)管的電壓鉗位，并使開(kāi)關(guān)管始終處于ZVS的方式下工作。由此可知，本文提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法合理、可行，具有一定的推廣使用價(jià)值。

3.結(jié)論

總而言之，隨著反激式開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的迅猛發(fā)展，一些應(yīng)用場(chǎng)合對(duì)此類電源的各方面性能提出了更高的要求。通過(guò)相關(guān)研究后發(fā)現(xiàn)，設(shè)計(jì)一種低鉗位電壓漏電感能量循環(huán)利用無(wú)開(kāi)關(guān)損耗的鉗位電路，能夠使反激式開(kāi)關(guān)電源的安全性、穩(wěn)定性和可靠性大幅度提高，并且可以滿足大多數(shù)應(yīng)用場(chǎng)合的使用要求，這對(duì)于反激式開(kāi)關(guān)電源的推廣具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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